Эволюция: неразумный дизайн: глаз халтура, мозг молодец
Идея о том, что живые существа изменяются с течением времени, высказывалась многими задолго до Чарльза Дарвина. Среди ранних эволюционистов был не только Ламарк, но и дедушка Дарвина — Эразм. Но эти идеи не могли стать господствующими в науке, поскольку за ними не стояло рационалистического объяснения механизма эволюции.
Ламарк постулировал некое положенное во все живое рвение к совершенству — особенную сущность, которую он именовал принципом градации. Дарвин же отыскал механистическое объяснение процессу трансформации органического мира, и оно выяснилось весьма несложным и понятным образованной публике того времени — естественный отбор (natural selection).
Многие современники Дарвина из состоятельных джентльменов увлекались неестественной селекцией, создавая и улучшая породы лошадей, псов, голубей. Было хорошо как мы знаем, что методом допущения к размножению потомства с нужными показателями и выбраковки неудачных особей возможно весьма скоро поменять внешний вид и чуть ли не каждые свойства животного либо растения. Дарвин додумался, что в природе обязан сам собой идти такой же процесс, подобный тому, что происходит на псарне либо голубятне.
В случае если обладателю псарни необходимы длинноногие псы, могущие скоро бегать, он будет отбирать длинноногих щенков, после этого скрещивать их между собой и в течение нескольких поколений возьмёт новую породу, скажем, гончую. В случае если в какой-то популяции сложатся такие условия, в то время, когда более длинноногие особи будут ловить больше добычи либо успешнее удирать от хищника, то у них покажется шанс покинуть больше потомства.
Последарвиновская эра принесла с собой новые выдающиеся открытия в биологии. Была открыта структура ДНК, расшифрован генетический код, введено понятие генетической мутации, но главным механизмом эволюции до сих пор согласится естественный отбор. И нечасто так происходит в науке, что ученому удается интуитивно нащупать существующий в действительности механизм, растолковать что при определенном уровне научных знаний нереально.
Дарвину это удалось.
Хватило ли эволюции времени?
Появляется, но, вопрос: хватило ли эволюции времени, дабы методом отбора случайно появляющихся нужных мутаций произвести на свет столько по-различному сконструированных организмов? Современная наука дает на данный вопрос положительный ответ.
Так как в случае если сравнить ту скорость эволюции, которую мы замечаем в палеонтологической летописи, со скоростью эволюции, которую на данный момент ученые приобретают в лабораторных условиях, в то время, когда они целенаправленно заставляют организмы эволюционировать, оказывается, что в лаборатории возможно добиться таких скоростей, каковые на большое количество порядков превосходят те, что были в природе. Иными словами, эволюция имела возможность бы теоретически идти значительно стремительнее, чем она шла на Земле.
Тем более что генетические различия между животными не так громадны. Чем дальше мы читаем геномы различных животных, тем яснее делается, как похожи, как родственны все животные между собой. Казалось бы, что неспециализированного между лапками мухи, щупальцами актинии, руками человека и плавниками рыбы?
А их, выясняется, регулируют одинаковые гены.
Тут нужно осознавать, что геном трудится на уровне клетки, а не целого организма. У живого существа нет центрального генома. В то время, когда оплодотворенное яйцо начинает делиться, любая дочерняя клетка приобретает копию всего генома. Другими словами все клетки эмбриона- сперва две, позже четыре, позже восемь — однообразные, у них у всех одинаковая генетическая программа.
А отчего же из одних клеток формируется мозг, из вторых — кожа, из третьих — сердце? Все это является следствием самоорганизации: клетки обмениваются сигналами и меняют приятель для приятеля условия среды, на каковые их программа реагирует в некотором роде. И вот уже на ранних этапах появляется разметка. Все может начаться с того, что в яйцеклетке имеется полярность. На одном полюсе сосредоточивается больше каких-то веществ, чем на втором.
И в то время, когда яйцеклетка делится, то в одних клетках вещества будет больше, чем в других. Высокая концентрация данного вещества возможно воспринята как сигнал для включения определенного гена. Допустим, данный ген кодирует какой-то сигнальный белок. Он начнет производиться из клетки и будет восприниматься соседними клетками как сигнал, по которому включатся еще по 20 генов. Они начнут создавать 20 вторых сигналов.
В следствии таких процессов эмбрион размечается и в различных его частях включаются различные гены.
Этому явлению посвящены занимательные опыты — к примеру, над одним из видов червей. Определенная клетка эмбриона задает программу: тут будет хвост, тут голова. В случае если отделить эту клетку от эмбриона, то окажется не червь, а бесформенный комок. Но достаточно только прикоснуться таковой клеткой к развивающемуся зародышу, дабы в том месте, к которому мы прикоснулись, появился хвост, другими словами появилась полярность.
Но пока еще эти механизмы эмбриогенеза не известны во всех подробностях. Расшифрованы лишь самые азы, главные регуляторы. Мы пока не можем забрать геном и на компьютере вычислить, какой из этого генотипа окажется фенотип.
Но основное — установлено, что небольшие трансформации генома смогут быть достаточными для радикальных трансформаций морфологии.
Показательный пример — гомеозисные мутации, другими словами мутации главных регуляторов развития, каковые смогут приводить к таким радикальным трансформациям, как, к примеру, появление дополнительной пары крыльев либо образование ног вместо усиков у мухи. Кроме того у человека может показаться вторая пара ушных раковин на шее, не смотря на то, что чаще это видится у коз. Разъясняется такое «чудо» достаточно легко.
В развитии эмбриона у всех позвоночных имеется стадия, на которой закладываются так именуемые жаберные дуги. У наземных позвоночных щель между первой и второй жаберными дугами превратилась в ушной канал (евстахиева труба, полость среднего уха). Потом направляться еще пара щелей и жаберных дуг между ними. И вот гомеозисные мутации смогут привести к тому, что еще на каком-нибудь из зачатков жаберных щелей сработает программа формирования уха. Тогда мы приобретаем ухо в неположенном месте.
Схожий процесс порождает, к примеру, бабочек и гусениц с лапками на всех сегментах.
Нужна ли сложность в эволюции
В тот момент, в то время, когда показалось первое живое существо, первый биологический репликатор, первый объект, что способен создавать копии самого себя и на что уже может функционировать дарвиновский эволюционный механизм, биологическое разнообразие имело возможность развиваться машинально. Второй вопрос — необходим ли был рост сложности в эволюции? В принципе возможно себе легко представить, что показались одни только бактерии и на этом уровне живое остановилось.
Это весьма возможный сценарий, и не думается необычным, что во Вселенной на тысячу планет, где живут одни бактерии, имеется только одна, где показалось что-то более сложное. На уровне бактерий эволюция застряла на долгое время. Казалось бы, нет ничего, что предсказывало происхождения более непростых форм судьбы. Кое-какие уверены в том, что кроме того появление эукариотической клетки — это страшно маловероятное событие, сопоставимое с зарождением судьбы. Но проверить это никак запрещено.
Нуль-догадка по поводу усложнения строения организмов такова: никакой особенной направленности эволюции в сторону усложнения нет — имеет место чисто стохастический процесс, блуждание. Эволюционирующие группы организмов ветвятся (дивергируют), и совсем случайно на протяжении ветвления время от времени появляются более сложные потомки. За счет блуждания в пространстве сложности идет рост сложности самого сложного организма.
Но, по-видимому, не все так легко. Мы видим, что те эволюционные линии, каковые пошли по пути наращивания собственной сложности, так и идут по этому пути. очевидно начинают трудиться какие-то хорошие обратные связи. Самый близкий пример — развитие интеллекта, сложного поведения.
Хорошая обратная сообщение тут появится в том случае, если в данной популяции самые умные особи будут иметь больше шансов на успешное размножение и покинут громаднейшее количество потомков. Значит, гены громадного ума распространяются и уже через пара поколений все станут столь же умными. В случае если в один раз покажется мутант более умный, эта мутация опять распространится и все станут такими же.
Появляется собственного рода «гонка оружий», и это один из наиболее значимых механизмов нагнетания сложности. В большинстве случаев он ведет к формированию долгих ног, громадных рогов, острого зрения. Но точно так же может идти гонка оружий и по умственным свойствам.
Глаз — халтура, мозг — молодец
Но усложнение организма не всегда означает его совершенствование. Если бы в конечном итоге существовал «разумный дизайнер», которому по силам создать живой организм с чистого страницы, да так, дабы в нем все было сделано наилучшим образом, то жизнь на Земле смотрелась бы совсем по-второму. В действительности же каждое живое существо является комком компромиссов.
Геномы весьма похожи на программные коды, созданные группой бестолковых халтурщиков-программистов, где заплатка стоит на заплатке. Тут написано не хорошо, но вот тут добавлен блок, что эту неточность исправляет. В итоге программа срабатывает как правило, не смотря на то, что и не во всех. Хороший пример аналогичного несовершенства — глаз у позвоночных. Креационисты довольно часто упоминают данный орган в качестве доказательства разумного дизайна.
Еще в десятнадцатом веке Герман Гельмгольц — специалист и великий оптик по глазам — видел массу конструктивных недостатков в устройстве глаза. Глаз сделан очень несовершенно. Заплатки, конструктивные недостатки компенсируются доработками и доводками. Для начала — отечественный глаз вывернут наизнанку.
У позвоночных фоторецепторы наблюдают вовнутрь черепа, сама клетка фоторецептора находится перед ним. Между светом и фоторецептором имеется еще нервы и вспомогательные клетки, каковые подходят к фоторецепторам не позади, что было бы оптимально, а спереди. Такая конструкция глаза тянется от самых ранних хордовых.
У них центральная нервная совокупность формировалась методом впячивания нервной пластинки с образованием трубки. В итоге фоторецепторы были обращенными вовнутрь данной трубки. Для первых хордовых такое положение фоторецепторов полностью не было недочётом, поскольку эти животные все равно не различали изображения, а лишь отличали тьму от света. Они имели маленькие размеры и были совсем прозрачными, так что им было все равно, куда наблюдают рецепторы.
В будущем, в то время, когда у позвоночных стали формироваться сложные глаза, они появлялись как выпячивания данной нервной трубки. Глаз усложнялся, но фоторецепторы уже не было возможности развернуть в нужную сторону.
Сейчас нервы, передающие сигналы с фоторецепторов в мозг, должны доходить к сетчатке снаружи, а позже уходить вовнутрь. Для этого в сетчатке было нужно сделать отверстие, так именуемое слепое пятно. В общем, с сетчатки мы приобретаем очень некачественную картину, но обстановку исправляет мозг-анализатор, дорисовывая нехорошее изображение.
Действительно, как раз вследствие этого человек подвержен разнообразные обманам зрения. И в случае если мы принимаем в сумерках складку занавески за скрывающуюся фигуру, это все вследствие того что дизайн глаза особенной разумностью не отличался.
Кошмар Дженкина
Как именно передается наследственная информация? В эру Дарвина считалось, что при половом размножении отцовская и материнская наследственность сливаются в потомстве в некую неразличимую массу. Это представление было положено в базу «кошмара Дженкина».
Высказываясь в характерном викторианской Англии расистском духе, инженер Флеминг Дженкин попросил приверженцев Дарвина представить себе обстановку, в то время, когда белый человек случайно попадает на остров, населенный чернокожими дикарями. Быть может, допускал Дженкин, белый в силу собственного превосходства станет на острове королем, заберёт себе сотню жен из местных дам. Но возможно ли высказать предположение, что через многие годы прибывший на остров путешественник встретится с ним населенным белыми людьми?
Нет, «нужная» наследственность растворится в местном населении. Ответить критикам Дарвина произошло лишь с возникновением генетики. Стало известно, что наследственность в базе собственной дискретна и в полной мере вероятна обстановка, в то время, когда остров в итоге населили бы одни белые (при фантастическом допущении, что гены белого человека дают при размножении преимущества).
Как и из-за чего появляются генетические мутации?
- Любой ген организма прошел долгую проверку и эволюционную историю на работоспособность, он содержит в себе «осмысленный текст». Исходя из этого при случайном комбинировании с высокой долей возможности получаются небессмысленные комбинации
Один из самых распространенных типов мутации появляется из-за неточностей копирования ДНК. Эта совокупность очень правильна, но в биологии ничего полного нет, и нереально создать такую совокупность копирования, которая по большому счету ни при каких обстоятельствах бы не ошибалась. Редко, но окажется в цепочке ДНК вместо верного нуклеотида какой-нибудь второй. Нуклеотид возможно и пропущен — случится делеция, выпадение. Либо засунут лишний. Время от времени появляются более большие трансформации ДНК за счет пропуска целых кусков.
Такое весьма возможно, в то время, когда в ДНК имеется повторы. Молекулы нуклеиновых кислот имеют склонность слипаться однообразными кусками, в силу чего иногда образовываются петли. Фермент, что копирует ДНК, может пропустить кусок, осуждённый между двумя повторами.
Помимо этого, ДНК способна к рекомбинации, к обмену гомологичными и негомологичными кусочками. Две нити ДНК смогут разорваться и склеиться между собой перекрестно.
Ну и само собой разумеется, постоянный обмен между молекулами ДНК происходит при половом размножении — в каждом поколении и полностью целенаправленно. У бактерий, не имеющих полового размножения, это случается менее систематично, но также в обязательном порядке происходит. Кусочки ДНК различного происхождения смогут соединяться, изменяться фрагментами. Это рекомбинация — наиболее значимый механизм трансформации наследственной информации. И он, быть может, ответственнее для эволюции, чем точечная мутация.
За счет блочного комбинирования различных кусочков ДНК значительно выше возможность взять какой-то сложный показатель.
Узоры бытия
Ответить на вопрос, сколько как раз генов отличает руку человека от лапки мухи, наука на данный момент не может, поскольку точно не известно, сколько как раз генов участвует в создании этих органов. Тут мы входим в область юный и весьма перспективной дисциплины, именуемой эволюционной биологией развития. Началась она с открытия гомеобоксных генов.
Это такие гены, каковые играются важную роль в разметке развивающегося эмбриона у животных, определяя, какая часть станет передом, какая задом, где будет поясницы, где пузо и т. д. И по сей день неспешно, достаточно скоро и удачно расшифровываются сложные механизмы, управляющие развитием эмбриона. В них и кроется разгадка того, из-за чего мы устроены так, а не в противном случае. Так как эволюционируют не взрослые фенотипы, а программы развития.
Дело в том, что в геноме нет чертежа взрослого организма. В нем нереально отыскать закодированные описания формы носа либо инструкции, что руки должны быть пятипалыми. Исходя из этого онтогенез — это некоторый процесс самоорганизации, чем-то похожий на происхождение морозных узоров на стекле. Появляются иногда прекрасные картины — цветы, сады, леса
Где они закодированы? Каким-то образом они закодированы в особенностях молекулы воды и в текстуре стекла, в температурном режиме, другими словами в условиях среды. Собственную роль играются и физико-химические особенности молекулы воды, каковые определяют, как она кристаллизуется.
Так вот, в молекуле воды закодированы морозные узоры таким же методом, как в ДНК закодирован фенотип.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№94, август 2010).
<
h4>